KR20150010956A - 플라즈마 아크 토치의 절단 수명을 개선하기 위한 방법과 장치 - Google Patents

플라즈마 아크 토치의 절단 수명을 개선하기 위한 방법과 장치 Download PDF

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Abstract

플라즈마 아크 토치에서 사용하기 위한 전극에 관한 것이다. 이 전극은, 전극 본체(302), 전극 본체(302)의 제1 단부에서의 앞면(front face)에 있는 캐비티(318), 및 캐비티 내에 배치된 인서트(316)를 포함한다. 전극 본체의 제1 단부는 적어도 99.81% 구리를 함유하는 고순도 구리로 형성된다. 인서트(316)는 제1 단부와 제2 단부를 갖고, 고 방사율 물질로 형성된다. 인서트의 제1 단부의 직경은 인서트의 제2 단부의 직경보다 짧다. 전극은 방사형 압축을 이용하여 인서트를 유지하도록 압축된다. 본 발명은, 또한, 전극을 형성하는 방법, 및 플라즈마 토치의 전극 작동 방법을 포함한다.

Description

플라즈마 아크 토치의 절단 수명을 개선하기 위한 방법과 장치{METHOD AND APPARATUS FOR IMPROVED CUTTING LIFE OF A PLASMA ARC TORCH}
본 발명은, 일반적으로 플라즈마 아크 토치 시스템 및 프로세스에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은, 플라즈마 아크 토치에서 사용하기 위한 전극의 개선된 인서트 구성, 및 이러한 전극의 작동 및 제조 방법에 관한 것이다.
플라즈마 아크 토치는 금속 물질들의 고온 처리(예를 들어, 절단, 용접, 마킹)에 널리 사용된다. 도 1a에 도시한 바와 같이, 플라즈마 아크 토치는, 일반적으로, 토치 본체(1), 본체 내에 장착된 전극(2), 전극(2)의 보어 내에 배치된 인서트(3), 중심 출구 오리피스를 갖는 노즐(4), 차폐부(5), 전기적 연결부(도시하지 않음), 냉각과 아크 제어 유체를 위한 통로, 유체 흐름 패턴을 제어하기 위한 와류 링(swirl ring), 및 전원(도시하지 않음)을 포함한다. 토치는, 고온과 고 모멘텀을 갖는 플라즈마 가스의 수축된 이온화된 제트인 플라즈마 아크를 생성한다. 가스는, 예를 들어, 질소 또는 아르곤 등의 비반응성일 수 있으며, 또는 산소나 공기 등의 반응성일 수 있다.
모든 플라즈마 아크 토치에 있어서, 특히 반응성 플라즈마 가스를 사용하는 토치에 있어서, 전극은 인서트의 노출된 방사면에서 일반적으로 오목한 피트의 형태로 시간 경과에 따라 마모된다. 피트는 인서트로부터 용융된 높은 방사율 물질의 손실로 인해 형성된다. 아크가 발생하면 방사면이 액화되고, 전극의 동작 동안 전자들이 높은 방사율 물질의 용융된 풀로부터 방사된다. 그러나, 용융된 물질은 토치 동작 동안 방사면으로부터 방출된다.
금속 워크피스를 플라즈마 아크 절단 또는 마킹하는 프로세스에서는, 전극(캐소드)과 노즐(애노드) 간에 파일럿 아크가 우선 발생한다. 파일럿 아크는 노즐 출구 오리피스를 통과하는 가스를 이온화한다. 이온화된 가스가 전극과 워크피스 간의 전기적 저항을 감소시킨 후, 아크가 노즐로부터 워크피스로 전달(transfer)된다. 일반적으로, 토치는 이러한 전달된 플라즈마 아크 모드에서 작동하며, 이는 워크피스를 절단, 용접, 또는 마킹하도록 전극으로부터 워크피스로의 이온화된 플라즈마 가스의 흐름에 의해 특징화된다.
고 열이온성 방사형 물질의 인서트를 갖는 구리 전극 본체는 반응성 플라즈마 가스를 갖는 플라즈마 아크 토치에서 사용된다. 도 1b는 인서트를 전극의 보어 내에 삽입하여 고정하기 위한 알려져 있는 방법을 도시한다. 도 1b는 전극 본체(12)의 단부에 있는 보어 내에 가압(15)되어 압입 전극 인서트(press fit electrode insert)를 발생시키는 방사형 인서트(10)를 도시한다.
플라즈마 아크 토치 전극의 동작 동안, 온도 구배와 동역학 등의 토치 조건들은, 인서트를 제 위치에 유지하는 유지력을 감소시키도록 기능하고, 인서트가 보어(170 내로 이동할 수 있게 하거나 또는 보어의 외부로 완전하게 분리될 수 있게 하며, 이에 따라 전극의 서비스 수명이 감소될 수 있다. 본 명세서에서 전문이 참고로 원용되는 Hypertherm, Inc.의 미국 특허번호 제8,101,882호에 개시된 바와 같이, 전극과 인서트는 이동 없이 인서트를 유지하도록 구성될 수 있다. 그러나, 플라즈마 아크 토치가 전극을 열적 사이클링함에 따라, 유지력이 통상적으로 열화되어 결국 인서트의 일부 이동이 가능하게 된다. 또한, Hypertherm, Inc.의 미국 특허번호 제5,310,988호와 제6,130,399호에 개시된 바와 같이, 인서트 물질은 동작 동안 전극의 팁에서 용융되어, 인서트의 노출된 단부에 피트가 생성된다. 피트 성장은, 전극이 완전히 고장날 때까지, 예를 들어, 전극의 방사형 인서트로부터 방사되는 아크가 전극 본체의 정면 구리 부분에 부착될 때, 발생한다.
토치의 작동 동안 전극의 캐비티 내의 인서트 물질을 더욱 양호하게 이용하는 플라즈마 아크 토치를 위한 절단 수명이 개선된 전극이 필요하다.
본 발명은, 토치의 작동 및/또는 열적 사이클링 동안 인서트의 상당한 피제어 이동을 가능하게 하는 전극의 캐비티 내에 인서트를 구성함으로써 이러한 목적들을 달성하며, 이에 따라 인서트가 전극의 앞면(front face)을 향하여 제어 가능하게 이동함으로써, 인서트의 피트 성장을 야기하는 토치의 열적 사이클링 동안의 인서트의 열화가 감소된다. 본 발명의 실시예들은, 예를 들어, 전극의 앞면에서의 인서트의 피트 성장을 감소시킴으로써 이러한 목적들을 달성한다.
본 발명의 일 양태는 서비스 수명이 길어진 플라즈마 아크 토치를 위한 전극을 특징으로 하며, 플라즈마 아크 토치는 그 전극과 노즐에 의해 규정된 플라즈마 챔버를 포함하고, 전극은, 앞면을 갖는 전극 본체, 전극 본체의 앞면에 있는 오리피스, 및 오리피스 내에 위치하며 고 열이온성 방사형 물질(high thermionic emissivity material)로 형성된 긴 방사형 인서트(elongated emissive insert)를 포함한다. 인서트는 전방부(forward end)와 후방부(rearward end)를 갖고, 인서트의 전방부는 전극 본체의 앞면을 향하여 배향된다. 인서트는 초기 구성과 작동 가능 구성을 더 갖고, 작동 가능 구성은 토치의 복수의 작동 후에 형성되고, 이때, 인서트의 초기 구성에서는 인서트의 후방부가 앞면으로부터 제1 거리(D1)에 위치하고, 인서트의 작동 가능 구성에서는 후방부가 제2 거리(D2)에 위치하고, D1은 D2보다 적어도 0.6mm 크다.
일부 실시예들에서, 고 열이온성 방사형 물질은 하프늄, 지르코늄, 또는 텅스텐 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 실시예들에서, 작동 가능 구성은 전극의 적어도 약 400회의 아크 사이클 후에 발생한다. 일부 실시예들에서, 앞면을 향한 인서트의 후방부의 이동은 인서트의 전방부에서의 피트 형성을 보상하는 데 충분하다. 일부 실시예들에서, 작동 가능 구성은 전극 작동 시간의 적어도 약 2시간 후에 발생한다. 일부 실시예들에서, 인서트의 제2 단부의 이동은 적어도 0.8, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 또는 2.0mm이다. 일부 실시예들에서, 전극은 가스로 냉각된다. 일부 실시예들에서, 전극 본체는 적어도 99.81% 구리를 함유하는 고순도 구리로 형성된다. 일부 실시예들에서, 인서트는, 제2 단부로부터 멀어지며 앞면을 벗어나 오리피스의 외부로 연장된다.
다른 일 양태에서, 본 발명은, 플라즈마 아크 토치의 전극 서비스 수명을 길게 할 수 있는 방법을 특징으로 한다. 방법은 전극을 열적 사이클링하는 단계를 포함한다. 전극은, 제1 단부와 제2 단부를 갖는 본체, 긴 이미터를 구비하고, 본체는, 본체의 제1 단부의 면의 캐비티 내에 위치하는 긴 이미터를 갖는다. 플라즈마 아크 토치의 작동 동안, 전극은, 이미터로부터 플라즈마 아크를 방사하고 이미터를 냉각함으로써 열적 사이클링된다. 전극의 사이클은, 이미터의 일부를 용융함으로써 이미터의 노출면에 피트를 형성하는 것을 포함한다. 전극의 사이클은, 또한, 전극 본체의 제1 단부를 향한 이미터의 이동이 노출면에 대한 피트의 성장보다 크도록 전극 본체의 제1 단부를 향하여 전극 본체의 제2 단부로부터 멀어지게 이미터를 이동시키는 것을 포함한다.
일부 실시예들에서, 전극의 작동 동안, 이미터의 제2 단부는, 이미터의 제2 단부가 앞면을 향하여 적어도 0.6mm 이동하도록, 절단 사이클 동안 전극의 앞면을 향하여 이동된다. 일부 실시예들에서, 이미터의 제2 단부의 이동은 적어도 0.8, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 또는 2.0mm이다. 일부 실시예들에서, 전극은 가스로 냉각된다. 일부 실시예들에서, 전극 본체는 적어도 99.81% 구리를 함유하는 고순도 구리로 형성된다. 일부 실시예들에서, 인서트는 전극 본체의 제2 단부로부터 멀어지며 앞면을 벗어나 캐비티의 외부로 연장된다.
또 다른 일 양태에서, 본 발명은, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극의 서비스 수명을 연장하기 위한 방법을 특징으로 한다. 이 방법은 인서트의 제1 단부에 피트를 형성하는 단계를 포함한다. 인서트는, 고 열이온성 방사형 물질로 형성되고 전극의 제1 단부에서 앞면의 캐비티 내에 배치된다. 전극은 고순도 구리로 형성될 수 있다. 전극은 적어도 99.81% 구리를 함유하는 고순도 구리로 형성된다. 인서트는 초기 구성과 작동 가능 구성을 갖는다. 작동 가능 구성은 플라즈마 아크 토치의 복수의 작동 후에 형성된다. 방법은, 전극을 열적 사이클링하고, 이에 따라 토치의 각 작동 동안 인서트로부터의 플라즈마 아크의 방사에 기초하여 인서트의 일부를 용융시키는 단계를 포함한다. 인서트는 열적 사이클링에 따라 전극의 앞면을 향하여 이동한다. 방법은, 인서트의 제2 단부가 전극의 앞면을 향하여 이동함으로써 전극의 조기 고장을 방지하는 단계를 포함한다. 이동 거리는 토치의 열적 사이클링 동안 적어도 0.6mm이다. 인서트의 후방부의 초기 구성은 앞면으로부터 제1 거리(D1)에 위치한다. 인서트의 후방부의 작동 가능 구성은 제2 거리(D2)에 위치하며, D1은 D2보다 적어도 0.6mm 크다.
일부 실시예들에서, 인서트는 제2 단부의 직경보다 짧은 제1 단부의 직경을 갖는다. 일부 실시예들에서, 인서트의 제2 단부는 인서트의 제1 단부의 반대측이다.
또 다른 일 양태에서, 본 발명은 플라즈마 아크 토치를 위한 전극을 특징으로 하며, 이 플라즈마 아크 토치는, 그 전극과 노즐에 의해 규정되는 플라즈마 챔버를 포함한다. 전극은 고순도 구리로 형성된 제1 단부를 갖는 전극 본체를 구비한다. 고순도 구리는 적어도 99.81% 구리를 함유한다. 전극 본체는 제1 단부의 반대측인 제2 단부를 갖는다. 전극 본체는 제1 단부에 위치하는 앞면을 갖는다. 전극은 전극 본체의 앞면에 위치하는 캐비티를 갖는다. 전극은 고 열이온성 방사형 물질로 형성된 긴 인서트를 갖는다. 긴 인서트는 캐비티 내에 배치된다. 인서트는 제1 단부와 제2 단부를 갖는다. 인서트의 제1 단부는 전극 본체의 앞면을 향하여 배향된다. 인서트는 제2 단부의 직경보다 짧은 제1 단부의 직경을 갖는다. 전극은 인서트의 제1 단부를 유지하도록 구성된다. 전극은 인서트를 유지하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 전극 본체의 제1 단부는 방사상 압축에 의해 인서트의 제1 단부를 유지하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 전극 본체의 제1 단부는 방사상 압축에 의해 인서트를 유지하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 전극의 작동 동안, 인서트의 제2 단부가 아크 사이클 동안 전극의 앞면을 향하여 이동된다. 인서트의 제2 단부는 전극 본체의 앞면을 향하여 적어도 0.6mm 이동할 수 있다.
일부 실시예들에서, 인서트의 제2 단부의 이동은 적어도 0.8, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 또는 2.0mm일 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극은 가스로 냉각된다. 일부 실시예들에서, 인서트는 전극 본체의 제2 단부로부터 멀어지며 앞면을 벗어나 캐비티의 외부로 연장된다. 일부 실시예들에서, 인서트는 하프늄, 지르코늄, 또는 텅스텐으로 형성된다.
또 다른 일 양태에서, 본 발명은 플라즈마 아크 토치를 위한 전극의 서비스 수명을 연장하기 위한 방법을 특징으로 한다. 이 방법은 인서트의 제1 단부에 피트를 형성하는 단계를 포함한다. 인서트의 일부는 플라즈마 아크 토치의 작동 동안 용융된다. 인서트는 고 열이온성 방사형 물질로 형성된다. 인서트는 제2 단부의 직경보다 짧은 제1 단부의 직경을 갖는다. 인서트는 전극 본체의 제1 단부에서 앞면의 캐비티 내에 배치된다. 전극 본체는 적어도 99.81% 구리를 함유하는 고순도 구리로 형성된다. 방법은, 토치의 작동 동안 인서트로부터 플라즈마 아크를 방사함으로써 전극을 열적 사이클링하는 단계를 포함한다. 인서트는 전극의 앞면을 향하여 이동하고, 인서트는 열적 사이클링에 따라 이동한다. 방법은, 인서트의 제2 단부가 전극의 앞면을 향하여 이동함으로써 플라즈마 아크 토치의 작동 동안 전극의 조기 고장을 방지하는 단계를 포함한다. 인서트의 제2 단부는 적어도 0.6mm의 거리를 이동한다.
일부 실시예들에서, 전극은, 인서트의 제1 단부에 피트를 형성하는 단계를 포함한 전술한 바와 같은 방법을 실시한다. 인서트의 일부는 플라즈마 아크 토치의 작동 동안 용융된다. 인서트는 고 열이온성 방사형 물질로 형성된다. 인서트는 제2 단부의 직경보다 짧은 제1 단부의 직경을 갖는다. 인서트는 전극 본체의 제1 단부에서 앞면의 캐비티 내에 배치된다. 전극 본체는 적어도 99.81% 구리를 함유하는 고순도 구리로 형성된다. 전극은, 토치의 작동 동안 인서트로부터 플라즈마 아크를 방사함으로써 전극을 열적 사이클링하는 전술한 바와 같은 방법을 실시한다. 인서트는 전극의 앞면을 향하여 이동하고, 인서트는 열적 사이클링에 따라 이동한다. 방법은, 인서트의 제2 단부가 전극의 앞면을 향하여 이동함으로써 플라즈마 아크 토치의 작동 동안 전극의 조기 고장을 방지하는 단계를 포함한다. 인서트의 제2 단부는 적어도 0.6mm의 거리를 이동할 수 있다.
일부 실시예들에서, 인서트의 제2 단부의 이동은 적어도 0.8, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 또는 2.0mm이다. 일부 실시예들에서, 인서트는 하프늄, 지르코늄, 또는 텅스텐 중 적어도 하나로 형성된다. 일부 실시예들에서, 전극의 앞면을 향한 인서트의 이동은 전극 사이클링으로부터 발생하는 피트 깊이의 성장을 상쇄한다. 일부 실시예들에서, 인서트의 이동은 피트 깊이의 성장보다 빠른 속도로 발생한다. 일부 실시예들에서, 인서트의 이동은 피트 깊이의 성장과 동일한 속도로 발생한다. 일부 실시예들에서, 전극 본체는 방사상 압축에 의해 인서트를 유지하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 전극 본체의 제1 단부는 방사상 압축에 의해 인서트를 유지하도록 구성된다.
또 다른 일 양태에서, 본 발명은, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극을 제조하기 위한 방법을 특징으로 하며, 이때, 플라즈마 아크 토치는 전극과 노즐에 의해 규정되는 플라즈마 챔버를 포함한다. 이 방법은, 고순도 구리로 형성된 제1 단부를 갖는 전극 본체를 형성하는 단계를 포함한다. 전극 본체는 적어도 99.81% 구리를 함유하는 고순도 구리로 형성된다. 전극 본체는 제1 단부의 반대측인 제2 단부를 갖는다. 전극 본체는 전극 본체의 제1 단부에 위치하는 앞면을 갖는다. 방법은, 전극 본체의 앞면에 캐비티를 형성하는 단계를 포함한다. 방법은, 고 열이온성 방사형 물질로 형성된 긴 인서트를 캐비티에 조립하는 단계를 포함한다. 인서트는 제1 단부와 제2 단부를 갖는다. 인서트의 제1 단부는 전극 본체의 앞면을 향하여 배향된다. 방법은 전극 본체의 제1 단부를 구성하는 단계를 포함한다. 인서트의 제1 단부는, 전극 본체의 제1 단부의 방사상 압축을 이용하여 유지된다. 방사상 압축은 전극 본체의 제1 단부에서 인서트를 유지하는 데 이용된다.
일부 실시예들에서, 인서트는 테이퍼를 갖는다. 일부 실시예들에서, 인서트의 제1 단부에서의 제1 직경은 인서트의 제2 단부에서의 제2 직경보다 짧다. 일부 실시예들에서, 인서트의 제1 단부는 전극 본체의 앞면에 가깝다. 일부 실시예들에서, 제2 직경은 제1 직경보다 적어도 0.003" 길다. 일부 실시예들에서, 인서트는, 3.0mm 내지 5.0mm 정도인, 제1 직경과 제2 직경 사이의 길이를 갖는다.
전술한 설명은 첨부 도면과 함께 다음에 따르는 본 발명의 상세한 설명으로부터 더욱 쉽게 이해될 것이다.
도 1a는 알려져 있는 플라즈마 아크 토치를 도시하는 부분 단면도.
도 1b는 인서트를 전극 내에 조립하기 위한 알려져 있는 방법을 도시하는 플라즈마 아크 토치 전극의 부분 단면도.
도 2a는 조립 전 캐비티를 갖는 전극을 도시하는 플라즈마 아크 토치 전극의 단면도.
도 2b는 인서트를 전극 본체에 조립한 후에 인서트를 유지하도록 단부를 방사상으로 압축하는 전극을 도시하는 단면도.
도 2c는 기계 가공된 제1 단부와 앞면(front face)을 갖는 전극을 도시하는 단면도.
도 2d는 마무리된 전극을 도시하는 단면도.
도 2e는 마무리된 전극 내에 유지되는 인서트의 확대 단면도.
도 3a 내지 도 3e는 플라즈마 아크 토치의 사이클 동안의 인서트 이동을 도시하는 도.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따라 플라즈마 아크 토치 내의 전극의 열적 사이클링에 의한 인서트 이동을 도시하는 단면도.
도 4b는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 플라즈마 아크 토치 내의 전극의 열적 사이클링에 의한 인서트 이동을 도시하는 단면도.
도 5는 본 발명의 일 양태에 따라 다수의 사이클 후의 인서트 이동을 도시하는 차트.
도 6은 종래 기술의 전극의 총 인서트 이동을 본 발명의 일 양태에 따른 플라즈마 아크 토치를 사이클링한 후의 전극과 비교하는 차트.
도 7은 플라즈마 아크 토치를 사이클링함으로 인한 전극의 총 인서트 이동을 도시하는 차트.
도 8은 플라즈마 아크 토치의 전극의 전극 서비스 수명을 길게 할 수 있는 방법을 도시하는 흐름도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 플라즈마 아크 토치를 위한 전극을 제조하는 방법을 도시하는 흐름도.
이제 본 발명의 실시예들을 상세히 참조한다. 이들의 하나 이상의 예는 도면에 예시되어 있다. 본 명세서에서 설명하거나 예시하는 각 실시예는 본 발명을 설명하고자 제시된 것이며 본 발명을 한정하도록 제시된 것이 아니다. 예를 들어, 일 실시예의 일부로서 예시하거나 설명하는 특징부들을 다른 일 실시예와 함께 사용하여 또 다른 일 실시예를 형성할 수 있다. 본 발명은 이러한 수정과 변동 및 다른 수정과 변동을 추가 실시예들로서 포함하고자 한다.
도 2a 내지 도 2e는 전극 캐비티 내에 인서트를 고정하기 위한 예시적인 방법을 도시하고, 그 결과로 얻는 본 발명의 원리를 포함하는 전극 구성을 도시한다. 도 2a는 제1 단부(206)와 제1 단부(206)의 반대측인 제2 단부(204)를 갖는 전극 본체(202)를 포함하는 전극(200)의 초기 구성을 도시한다. 오리피스(208)는 전극 본체(206)의 제1 단부에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 오리피스(208)는 전극 본체(206)의 제1 단부의 앞면(front face)에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 오리피스(208)는 대략 원통형이다. 오리피스(208)는 본 발명의 원리에 따라 전극 본체(206)의 제1 단부에 위치하는 다른 구성을 가질 수도 있다. 모든 실시예들에서, 오리피스(208)는 보어(bore)일 수도 있다. 보어(208)는 대략 원통형일 수 있다. 모든 실시예들에서, 보어(208)의 내측 하부면은 평평한 단부면 또는 테이퍼링 면, 예를 들어, 드릴 비트점을 가질 수 있다. 모든 실시예들에서, 오리피스(또는 보어)(208)는 캐비티일 수도 있다. 전극 본체(206)의 제1 단부는 고 열 전도성 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어, 적어도 99.81% 구리를 함유하는 고순도 구리로 형성될 수 있다. 전극 본체(202) 또는 전극 본체(206)의 제1 단부는, 본 발명의 원리에 따라 99.85%, 99.90%, 99.95%, 또는 99.99% 구리를 함유하는 고순도 구리로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 구리는 산소 없는 고 전도성 구리일 수 있다. 전극 본체(202)도 고순도 구리로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극(200)은 적어도 99.81% 구리를 포함하는 고순도 구리로 형성된다. 일부 실시예들에서, 전극(202)은, 예를 들어, 냉각 채널들(210)을 사용하여 가스로 냉각된다.
도 2b는 긴 방사형 인서트(228)가 전극(226)의 앞면에서 보어(208) 내에 삽입된 후의 전극(220)을 도시한다. 전극(226)의 앞면은 전극 본체(206)의 제1 단부에 위치할 수 있다. 일부 실시예들에서, 인서트(228)는, 예를 들어, 하프늄, 지르코늄, 또는 텅스텐 등의 고 열이온성 방사형 물질로 형성될 수 있다. 보어(208)는 인서트의 직경보다 긴 직경을 가질 수 있고, 이에 따라 인서트(228)가 보어(208) 내에 처음에는 느슨하게 끼워진다. 일부 실시예들에서, 보어(208)는 제1 단부에서의 직경을 갖는 인서트(228)보다 긴 직경과 제2 단부에서의 직경을 갖고, 이에 따라 인서트(228)가 보어(208) 내에 초기에 느슨하게 조립된다. 인서트(228)는 전방부(forward end)와 후방부(rearward end)를 가질 수 있고, 전방부는 보어(208) 내에 삽입시 전극 본체(226)의 앞면을 향하여 배향되고, 전방부는 후방부보다 짧은 직경을 가질 수 있다. 후방부는 전방부의 반대측일 수 있다. 전극 본체(206)의 제1 단부는, 예를 들어, 방사상 스웨이징(swaging) 기술들을 이용하여 압축될 수 있고, 이에 따라 전극(224)의 제1 단부가 압축된다. 전극 본체(206)의 압축은 스웨이징 동안 유압을 이용하여 달성될 수 있다. 전극(224)의 압축된 제1 단부는 전극 본체(202)보다 짧은 직경을 가질 수 있다. 방사상 압축으로 인해 물질이 변형됨으로써, 전극(224)의 제1 단부가 인서트(228)에 적어도 부분적으로 일치하게 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극(224)의 압축된 제1 단부는 긴 인서트(228)의 전체 길이를 포함한다. 일부 실시예들에서, 전극(224)의 압축된 제1 단부는 긴 인서트(228)의 적어도 일부를 포함한다. 도 2c는 전극 본체(244)가 균일한 직경으로 기계 가공된 후의 전극(240)을 도시한다. 전극(226)의 앞면도 기계 가공될 수 있어서, 전극 본체(244)의 둥근 에지(242)를 생성할 수 있다.
도 2d와 도 2e는 마무리된 전극(260)을 도시한다. 일부 실시예들에서, 전극(226)의 앞면은, 인서트(262)의 노출된 제1 단부가 제2 단부(204)로부터 멀어지는 방향으로 전극 본체(244)의 보어의 외부로 앞면(226)을 벗어나 연장되도록, 기계 가공된다. 일부 실시예들에서, 전극(260)은 가스로 냉각될 수 있다. 가스로 냉각된 전극은 액체로 냉각된 전극보다 아크 사이클 전체에 걸쳐 극한 온도 변동에 더욱 민감할 수 있다. 액체로 냉각된 전극은 전극의 사이클에 걸쳐 더욱 안정된 온도를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 가스로 냉각된 전극(260)은 더욱 큰 열적 변동에 노출되고, 전극(260)은 아크 사이클에 있어서 액체로 냉각된 전극보다 뜨거워진다. 가스로 냉각된 전극의 열적 변동이 커짐으로써, 인서트(228)와 전극 본체(244) 간의 열적 유연성(thermal flexing)이 커질 수 있다. 인서트(228)와 전극 본체(244) 간의 열적 유연성은, 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 도시하고 후술하는 바와 같이, 토치의 작동 동안 인서트가 보어(208) 내에서 이동할 수 있게 한다. 예를 들어, 가스로 냉각된 전극의 열적 변동이 커짐으로써, 인서트(228)와 전극 본체(244) 간의 열 팽창의 차이에 의해 인서트(228)와 전극 본체(244) 간의 상대적 이동이 가능할 수 있다. 이러한 상대적 이동은 작동 동안 인서트(228)가 보어(208) 내에서 이동하게 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 인서트(262)의 제1 단부에서의 직경은 인서트(264)의 제2 단부에서의 직경보다 짧다. 인서트는 테이퍼링된 원뿔형 구성을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 인서트(228)는, 인서트(262)의 제1 단부가 전극 본체(226)의 앞면을 향하도록 배향된다. 일부 실시예들에서, 인서트(264)의 제2 단부에서의 직경은, 인서트(264)의 제1 단부에서의 직경보다 적어도 0.003" 길다. 일부 실시예들에서, 전극의 작동 전에 인서트(262)의 제1 단부에서의 직경과 인서트(264)의 제2 단부 간의 인서트(228)의 길이는 적어도 3.0mm 내지 5.0mm이다. 일부 실시예들에서, 전극(224)의 압축된 제1 단부는 인서트(262)의 제1 단부에서의 외면에 압축력을 가하고 인서트(264)의 제2 단부에서의 외면에 압축력을 가한다. 일부 실시예들에서, 인서트(262)의 제1 단부에서의 압축력은 인서트(264)의 제2 단부에서의 압축력보다 크다. 본 발명의 원리에 따른 전극은, 그 전극과 노즐에 의해 규정되는 플라즈마 챔버를 포함하는 플라즈마 아크 토치 내에 구성될 수 있다.
도 3a 내지 도 3e는 플라즈마 아크 토치를 위한 전극의 서비스 수명을 연장하기 위한 예시적인 방법을 도시한다. 도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치 전극의 완전한 열적 사이클을 도시한다. 도 3a는 전극 본체(302)와 긴 방사형 인서트(314)를 갖는 전극(300)의 초기 구성을 도시한다. 전극 본체(302)는 고 열 전도성 물질로 형성될 수 있다. 인서트(314)는 제1 단부(320)와 제2 단부(316)를 가질 수 있고, 제1 단부(320)는 전극 본체(312)의 앞면을 향하여 배향된다. 인서트(314)는 전극의 제1 단부에서 앞면의 캐비티 내에 배치될 수 있다. 전극(320)의 제1 단부는 방사형 압축을 이용하여 인서트(314)를 유지하도록 구성될 수 있다. 압축된 전극 본체(312)는 인서트(314)에 적어도 부분적으로 일치할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극 본체(312)의 앞면은 인서트(320)의 제1 단부와 동일한 높이를 이룰 수 있다. 일부 실시예들에서, 인서트(320)의 제1 단부는 초기 구성에서 전극 본체(312)의 앞면의 표면으로부터 멀어지며 캐비티의 외부로 돌출될 수 있다. 인서트 물질이 전극 본체를 벗어나 연장되면, 작동 동안 플라즈마 아크가 덜 산만(wander)해질 수 있다. 새로운 전극에서, 후술하는 플라즈마 아크는 전극 본체(312)에서 또는 전극 본체의 앞면 근처에서 방사형 인서트로부터 방사될 수 있어서, 전극을 조기에 마모시킬 수 있다. 전극이 하나 이상의 아크 사이클을 완료한 후에, 상세히 후술하는 바와 같이, 인서트(314)의 노출된 단부에 있는 피트는 플라즈마 아크의 위치를 좌우할 수 있어서, 아크가 산만해지는 것을 방지할 수 있다.
도 3a를 참조해 볼 때, 인서트(314)와 전극 본체(302)의 구성은, 예를 들어, 인서트(316)의 제2 단부가 정합하도록 구성될 수 있게 하는 드릴 포인트에 의해 형성된 테이퍼링된 오목 단부면(318)을 포함할 수 있다. 물론, 단부면(315)은 다른 구성을 가질 수도 있으며, 이는 본 발명의 원리에 따라 인서트(316)의 제2 단부와 정합할 수 있다. 전극 본체(302)는 고 열 전도성 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어, 적어도 99.81% 구리를 함유하는 고순도 구리를 포함한 구리 또는 구리 합금으로 형성될 수 있다. 산소 없는 고 전도성 구리를 사용할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 전극(300)은 적어도 99.81% 구리를 함유하는 고순도 구리로 형성된다. 일부 실시예들에서, 99.81% 미만의 구리를 함유하는 고순도 구리 전극으로는, 인서트(228)가 전극의 캐비티 내로 이동할 수 없다. 인서트(314)는, 하프늄, 지르코늄, 또는 텅스텐 중 적어도 하나 등의 고 열이온성 방사형 물질로 형성될 수 있다. 전극(300)은 전극 본체(302)에 대하여 일체로 형성된 통로를 포함할 수 있고, 이러한 통로는 토치 작동 동안 전극 본체(302)를 냉각하기 위한 열 전달 면으로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 도 2a의 참조번호 210을 참조한다. 가스로 냉각되는 전극은 액체로 냉각되는 전극보다 하나의 아크 사이클 또는 복수의 사이클 동안 온도에 있어서 극한의 더욱 큰 변동을 겪을 수 있다. 가스로 냉각되는 전극의 더욱 큰 열적 변동에 의해 인서트(314)의 열적 유연성이 가능할 수 있다. 전극(300)은 작동 동안 가열되고 팽창할 수 있어서, 인서트(314)가 전극 본체(302)의 보어 내로 이동할 수 있게 한다. 또한, 인서트(314)와 전극(300)은, 서로 다른 열 팽창 계수의 서로 다른 물질로 형성될 수 있다. 인서트(314)의 가열과 팽창(326, 332, 338) 및 전극 본체(335, 342)의 가열과 팽창은, 상세히 후술하는 바와 같이, 서로 다른 물질로 형성된다는 점에 기초하여 다를 수 있다. 사이클의 열적 변동 동안 두 개의 물질의 팽창 차이는, 인서트(314)가 전극 본체(302)의 보어 내로 이동할 수 있게 한다. 더욱 높은 온도에 노출됨으로써, 인서트(314)의 열적 유연성이 생성되며, 이는 인서트(314)가 전극 본체(312)의 앞면을 향하여 이동하게 할 수 있다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 인서트(314)는 적어도 제1 단부(320)에서의 직경과 제2 단부(316)에서의 직경을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 단부(320)에서의 직경과 제2 단부에서의 직경은 같지 않으며, 제1 단부(320)에서의 직경이 제2 단부(316)에서의 직경보다 짧을 수 있다. 일부 실시예들에서, 인서트(320)의 제1 단부는 전극 본체(312)의 앞면을 향하여 정렬되고, 인서트(316)의 제2 단부에서의 직경은 인서트(320)의 제1 단부에서의 직경보다 적어도 0.003" 길 수 있다. 일부 실시예들에서, 인서트(314)의 길이는 약 3.0mm 내지 5.0mm이다.
도 3b는 플라즈마 아크 토치의 초기 기동의 구성(304)을 도시한다. 전류가 긴 방사형 인서트(314)를 통과함에 따라, 플라즈마 아크(322)가 발생할 수 있다. 인서트는 가열 및 팽창(326)을 시작할 수 있어서, 전극 본체(302)를 가압하여 유지력(324)에 영향을 줄 수 있다. 인서트의 노출된 제1 단부의 일부는 용융(330)되기 시작할 수 있어서, 용융된 방사형 물질의 손실에 의해 인서트(320)의 노출된 제1 단부에 피트(328)를 형성할 수 있다. 하나 이상의 아크 사이클 후에는, 플라즈마 아크(322)의 발생 전에 피트(328)가 인서트(314) 내에 존재할 수 있다. 도 3c는 플라즈마 아크 토치의 작동 동안 전극(306)의 구성을 도시한다. 인서트가 계속해서 완전히 가열 및 팽창(332)함에 따라, 전극 본체와 일부가 마찬가지로 가열 및 팽창(335)된다고 여겨진다. 인서트(314)와 전극 본체(302)는 열 팽창 계수가 서로 다른 물질들로 형성될 수 있다. 인서트(332)의 가열과 팽창은 전극 본체의 가열 및 팽창(335)과는 다를 수 있다. 일부 실시예들에서, 이 공정 동안, 인서트(314)와 전극 본체(302)의 국부적인 팽창이 인서트(314)와 전극 본체(302) 간의 유지력(334)을 변경할 수 있어서, 인서트(314)가 전극(312)의 앞면을 향하여 증분식으로 이동할 수 있게 한다. 인서트의 노출된 제1 단부의 용융(330)은 전극(312)의 앞면을 향한 인서트(316)의 제2 단부의 이동과 동시에 발생할 수 있다. 메커니즘과는 상관없이, 보어의 베이스에서의 단부면(318)과 인서트(316)의 제2 단부 간에 갭(336)이 생성될 수 있다. 도 3d는 플라즈마 아크(322)가 소호(extinguish)된 직후 사이클의 종료시 전극(308)의 구성을 도시한다. 플라즈마 아크(322)가 종료된 후에는 인서트 가열과 팽창(338)이 감소되고, 마찬가지로 전극 본체(302)의 가열(302)과 팽창(342)을 감소시킨다. 전극 본체(302)는 인서트(314)보다 빠르게 냉각될 수 있어서, 인서트(320)의 제1 단부 근처의 힘을 감소시킬 수 있다. 전극 본체(302)는 냉각됨에 따라 수축할 수 있어서, 유지력(340)을 감소시킬 수 있고 이에 따라 인서트(314)가 전극 본체의 캐비티 내로 뒤로 당겨지지 않으며 인서트(316)의 제2 단부와 보어의 베이스에서의 단부면(318) 간의 갭(336)이 유지될 수 있다. 마지막으로, 도 3e는 인서트(314)와 전극 본체(302)가 주위 온도로 냉각된 후의 전극(310)의 구성을 도시한다. 인서트(314)는 전극의 캐비티 내의 위치를 전극(312)의 앞면 위의 상승 위치(344)로 시프트하였다. 전극(320)의 제1 단부에서의 피트(328)는 인서트(314)와 전극 본체(302)가 냉각된 훈에 유지된다. (전술한) 도 3c에 형성된 갭(336)은, 인서트(314)와 전극 본체(302)가 냉각된 후 유지된다.
일부 실시예들에서, 전극 본체(302)와 인서트(314)는 여러 번 작동될 수 있어서, 한 번보다 많은 도 3a 내지 도 3e의 열적 사이클 공정을 통해 사이클링할 수 있어서, 플라즈마 토치의 복수의 작동 후의 작동 가능 구성을 얻을 수 있다. 아크 사이클은, 플라즈마 아크(322)가 개시되고 종료(턴온 및 턴오프)될 때마다 규정될 수 있다. 그러나, 후속 아크 사이클을 개시하기 전에 마크가 완전하게 소호될 필요는 없다. 모든 실시예들에서, 하나 이상의 아크 사이클은 하나 이상의 절단 사이클을 형성할 수도 있다. 모든 실시예들에서, 아크 사이클(또는 절단 사이클)은 하나 이상의 열적 사이클을 형성할 수도 있다. 플라즈마 토치의 복수의 작동은 복수의 절단 사이클일 수 있다. 물론, 본 발명에 따른 절단 사이클에서는, 다음 사이클을 개시하는 데 완전한 냉각이 필요하지 않기에, 전극이 주위 온도에서 마무리 작동을 개시할 필요가 없다. 예를 들어, 도 3a 내지 도 3e에 도시한 각 사이클 동안, 인서트의 일부가 용융되고(330), 이에 따라 피트가 성장(328)하는 경향이 있다. 그러나, 본 발명에서는 인서트(314)의 이동을 제어함으로써, 다양한 토치 절단 사이클에 걸쳐 방사형 물질이 소모됨에 따라 인서트(316)의 제2 단부와 단부면(318) 간의 갭(336)을 비교적 선형적으로 증가시키도록 제어한다. 전극은 복수의 아크 사이클 동안 작동될 수 있어서, 각 사이클 동안 인서트(314)가 소정의 거리만큼 이동할 수 있다. 전극 본체(302) 내의 인서트 이동은, 전극의 서비스 수명 동안 전극 본체(3120의 앞면 근처의 충분한 인서트 물질을 유지할 수 있다. 특정 횟수의 사이클에 걸친 이러한 이동은 인서트 이동 속도를 제공할 수 있다. 이동 속도는 토치의 고장 전에 전극을 감시 및 교체할 수 있게 한다. 인서트(314)의 이동 속도는 적어도 피트(328)의 성장만큼 빠를 수 있어서, 전극의 앞면에서의 방사형 물질의 보충이 피트 형성을 지연시키고 플라즈마 아크의 구리 전극 물질에의 조기 부착을 방지하므로, 플라즈마 아크 토치의 작동 동안 전극의 조기 고장을 방지할 수 있다. 인서트(314)가 다양한 절단 사이클들 동안 전극 본체(312)의 앞면을 향하여 이동함에 따라, 방사형 물질의 이동이 피트 깊이 성장(328)을 상쇄할 수 있다. 전술한 바와 같이, 일부 실시예들에서, 갭(336)은 적어도 0.6mm 이상일 수 있다.
후술할 것으로서 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 일부 실시예들에서, 인서트가 전극 본체 내에서 이동하여 인서트(316)의 제2 단부와 보어의 단부면(318) 간에 적어도 0.6mm 내지 2.0mm의 갭(336)을 생성한다. 일부 실시예들에서, 인서트(316)의 제2 단부는 전극(312)의 앞면을 향하여 적어도 0.6mm 내지 2.0mm 이동한다. 또한, 전극 본체(302)의 보어 내의 인서트(314)의 이동(마이그레이션(migration))량은 열적 절단 사이클의 횟수에 관련될 수 있다. 후술하고 도 6에 도시하는 바와 같이, 전극은 플라즈마 토치 내에서 여러 번 작동될 수 있어서, 복수의 열적 사이클이 발생하여, 추가 절단 사이클에 따라 인서트가 더욱 이동할 수 있다.
더욱 구체적으로, 도 3a에 도시한 바와 같이, 일부 실시예들에서, 인서트(314)의 초기 구성에서는, 인서트(316)의 후방부가 전극 본체(312)의 앞면으로부터 제1 거리(D1)에 위치한다. D1은, 인서트가 전극 본체의 캐비티 내에 완전히 안착될 때의 인서트의 길이일 수 있다. 토치의 복수의 작동 후에, 도 3a 내지 도 3e에 도시한 바와 같이, 인서트(314)의 작동 가능 구성에서는, 인서트(316)의 후방부가 제2 거리(D2)에 위치한다. 토치의 작동 후에, D1은 D2보다 적어도 0.6mm 클 수 있다. 인서트의 제2 단부가 D1 - D2의 거리만큼 이동함으로써, 방사형 물질이 전극의 앞면을 향하여 복원되므로, 전극의 조기 고장을 방지한다. 일부 실시예들에서, 복수의 작동 후의 작동 가능 구성은 전극의 적어도 약 400회의 아크 사이클 후에 발생한다. 일부 실시예들에서, 도 3a 내지 도 3e에 도시한 바와 같이 복수의 작동 후의 작동 가능 구성은 적어도 약 2시간의 전극 작동 시간 후에 발생한다. 전극 작동 시간은, 토치가 작동 중일 때 플라즈마 아크(322)가 온(on)되어 있는 시간일 수 있다. 일부 실시예들에서, 인서트(316)의 후방부는, 적어도 인서트(320)의 전방부에서의 피트 형성(328) 속도만큼의 속도로 도 3a 내지 도 3e에 도시한 바와 같이 복수의 작동 동안 이동하여, 플라즈마 아크 토치의 작동 동안 전극의 조기 고장을 방지한다. 인서트(314)의 후방부에서의 앞면을 향한 이동은 인서트의 전방부에서의 피트 성장을 보상하는 데 충분할 수 있다. 일부 실시예들에서, 인서트(314)의 후방부에서의 이동은 적어도 0.6mm 거리를 초과한다. 일부 실시예들에서, 인서트(314)의 후방부에서의 총 이동은, 적어도 0.6mm의 거리, 적어도 0.8mm의 거리, 적어도 1.0mm의 거리, 적어도 1.2mm의 거리, 적어도 1.4mm의 거리, 적어도 1.6mm의 거리, 또는 적어도 2.0mm의 거리에 해당한다. 일부 실시예들에서, 인서트(314)의 후방부에서의 총 이동은 2.0mm보다 길다.
전극 본체(302)는 제1 단부와 제2 단부를 가질 수 있고, 이때, 노출면은 전극 본체의 제1 단부에 있다. 모든 실시예들에서, 인서트(314)는 이미터일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 이미터(314)는 전극 본체(302)의 제1 단부에 있는 캐비티 내에 배치된다. 일부 실시예들에서, 이미터(314)의 단부는 전극 본체의 제1 단부에서 정면을 벗어나 캐비티의 외부로 연장된다. 전극 본체의 제1 단부는 적어도 99.81% 구리를 함유하는 고순도 구리로 형성될 수 있다. 산소 없는 고 전도성 구리를 사용할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 전극 본체(302)는 고순도 구리로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 고순도 구리는 적어도 99.81% 구리를 함유한다. 플라즈마 아크 토치의 작동 동안, 도 3a 내지 도 3c에 도시한 바와 같이, 플라즈마 아크 토치는 이미터(314)로부터 플라즈마 아크(322)를 방사한다. 플라즈마 아크(322)의 종료시, 이미터(314)와 전극 본체(302)는 도 3d와 도 3e에 도시한 바와 같이 냉각된다. 아크 사이클링에 따라, 이미터의 일부가 용융되면(330) 이미터(320)의 노출 단부에 피트(328)가 형성된다. 이미터는, 전극 본체(302)의 노출면에 대한 피트 성장(328)의 속도보다 빠른 속도로 이미터(316)의 제2 단부로부터 이미터(320)의 제1 단부로 이동할 수 있다. 이미터의 제2 단부는, 전극 본체의 제1 단부에서 표면을 향하여 적어도 0.6mm 내지 적어도 2.0mm의 거리만큼 이동할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미터의 제2 단부는 2.0mm를 초과하는 거리를 이동할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전극 본체(302)가 (예를 들어, 방사형 압축에 의해) 인서트(314) 주위로 압축되어 부분적으로 일치하게 되면, 전극 본체(302)가 인서트(314)에 힘을 가하게 된다. 전극 본체는 인서트(320)의 제1 단부에 압축력을 가할 수 있고, 인서트(316)의 제2 단부에도 압축력을 가할 수 있다. 일부 실시예들에서, 인서트(320)의 제1 단부에서의 압축력은 인서트(316)의 제2 단부에서의 압축력보다 크다. 인서트(314) 주위의 전극 본체(202)의 압축에 의해, 인서트를 많은 전극 절단 사이클들을 통해 전극 본체(202)의 캐비티 내에 효과적으로 유지할 수 있다.
도 4a와 도 4b는 도 3a 내지 도 3e의 복수의 아크 사이클링 후의 전극을 도시한다. 도 4b는 도 4a에 도시한 전극(400)보다 많은 사이클의 총 횟수를 갖는 전극(402)을 도시한다. 도 4a는 전극 본체(404)와 긴 인서트(408)를 갖는 전극(400)을 도시한다. 인서트(408)는 고 열이온성 방사형 물질로 형성될 수 있다. 복수의 열적 사이클 후에, 인서트(408)는 거리(420)를 이동하여 갭(416)을 생성하여, 인서트 물질을 희생하여 전극 본체의 면부터 피트(424)의 가장 깊은 부분까지의 거리를 갖는 피트(412)를 유지한다. 도 4b는 전극 본체(406)와 긴 인서트(410)를 갖는 전극(402)을 도시한다. 인서트(410)는 고 열이온성 방사형 물질로 형성될 수 있다. 복수의 열적 사이클 후에, 인서트(410)는 거리(422)를 이동하여 갭(418)을 생성하여, 인서트 물질을 사용하여 전극 본체부터 피트(426)의 가장 깊은 부분까지의 거리를 갖는 피트(414)를 유지한다. 더욱 많은 열적 사이클의 총 횟수 후에, 인서트(410)는 거리(422)를 이동하여 갭(418)을 생성하는 한편, 피트(414)는 더욱 적은 열적 사이클의 총 횟수 후에 피트(412)로서 실질적으로 그대로 유지된다. 거리(424, 426)는 전극(400, 402)의 수명 전체에 걸쳐 실질적으로 마찬가지로 유지될 수 있다. 인서트(408, 410)는 복수의 열적 사이클 후에 적어도 0.6mm의 거리 내지 적어도 2.0mm의 거리를 이동할 수 있다. 일부 실시예들에서, 인서트(408, 410)는 2.0mm를 초과하는 총 거리를 이동한다. 일부 실시예들에서, 전극 본체(404, 406)는 고순도 구리로 형성된다. 일부 실시예들에서, 전극(400, 402)은 구리를 함유하는 고순도 구리를 포함한다. 일부 실시예들에서, 인서트(408, 410)는 하프늄, 지르코늄, 또는 텅스텐 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
전극(부품 번호 220777), 노즐(부품 번호 220990), 와류 링(부품 번호 220994), 유지 캡(부품 번호 220854), 차폐부(부품 번호 220993)를 구비하는 Duramax MRT 25' 토치, 및 Powermax 1650 전원을 사용하여 본 발명의 개발 중인 실험 테스트를 수행하였으며, 열거한 위 부품들 모두는 Hanover, N.H에 소재하는 Hypertherm, Inc.이 제조한 것이다. 모든 테스트에는, 99.81% 구리를 함유하는 고순도 구리로 형성된 전극 본체 내로의 방사형 압축을 이용하여 유지되는 테이퍼링된 하프늄 인서트를 갖는 전극을 포함하였다. 플라즈마 토치를 20초의 사이클 시간 동안 복수의 아크 사이클로 전달 전류의 100amps에서 작동시켰으며, 이때, 각 사이클 간에 5초 간격을 두었고, 그 결과는 아래와 같다.
사이클 평균 이동(mm) 표준 편차
180 0.68 0.24
360 1.33 0.06
540 2.04 0.20
720 2.45 0.10
도 5는 테스트 결과를 나타내는 차트(500)이다. 테스트에는, 설정된 사이클 횟수(520)만큼 복수의 전극을 작동시키고 인서트 변위(510)를 측정하는 것을 포함하였다. 테스트 모두는 총 720회의 사이클에 걸쳐 인서트의 이동의 상당한 선형 속도를 나타낸다. 인서트는 사이클 0 내지 사이클 180 동안 평균 0.68mm 이동하였으며(530), 그 결과 사이클당 0.004mm의 속도로 이동이 발생하였다. 인서트는 사이클 181 내지 사이클 300 동안 평균 0.65mm를 추가로 이동하였으며, 총 이동은 1.33mm이었고(540) 총 변경 속도는 사이클당 0.004mm이었다. 인서트는 사이클 361 내지 사이클 540 동안 0.71mm를 추가로 이동하였으며, 총 이동은 2.04mm이었고(550) 총 변경 속도는 사이클당 0.004mm이었다. 인서트는 사이클 541 내지 사이클 710 동안 0.41mm를 추가로 이동하였으며, 총 이동은 2.45mm이었고(560) 총 변경 속도는 사이클당 0.003mm이었다.
도 6은, 종래 기술의 전극들과 본 발명의 일 양태에 따른 플라즈마 아크 토치를 아크 사이클링한 후의 전극들의 총 인서트 이동을 비교하는 테스트 데이터를 나타내는 차트이다. 차트(600)는, 열적 사이클들의 총 횟수(640)에 걸쳐 다양한 전극 구성에서의 총 인서트 변위(630)를 나타낸다. 다양한 종래 기술의 전극들의 아크 사이클(또는 절단 사이클)(620)에서는, 아크·사이클의 대략 동일한 총 횟수에 대하여 본 발명의 원리에 따른 전극 구성에서의 총 이동(610)보다 상당히 작은 총 이동을 나타내었다. 0.6mm인 총 이동을 초과하는 것으로 알려져 있는 종래 기술의 표준 전극들은 없다. 전극 데이터 지점들(620)에 도시한 종래 기술의 토치 구성은 적어도 60A 내지 105A 사이의 전달 아크 전류에서 작동하는 것을 포함한다. 플라즈마 토치의 작동 동안의 테스트 조건들은 서비스 수명을 평가하도록 각 절단 간에 5초 간격을 두는 복수의 20초 절단을 포함하였다. 60A에서 본 발명에 따른 전극 구성을 테스트한 경우, 서비스 수명은 Hypertherm 표준 종래 기술의 전극 구성에 비해 평균적으로 적어도 65%만큼 개선되었다. 65A에서 본 발명에 따른 전극 구성을 테스트한 경우, 전극 수명은 평균적으로 적어도 100%만큼 개선되어, Hypertherm 표준 종래 기술의 전극의 수명의 두 배였다.
또한, 본 발명을 구체화하는 전극들을 80A를 포함하는 전극 작동 조건들로 테스트하였으며, 그 결과 Hypertherm 표준 전극의 수명이 60% 증가하였고, 85A에서는, 전극 수명이 Hypertherm 표준 종래 기술의 전극들에 비해 전어도 120%만큼 개선되었다. 100A에서 테스트한 본 발명에 따른 전극 구성에서는 서비스 수명이 적어도 150% 증가하였고, 105A에서 테스트한 본 발명에 따른 전극 구성에서는 서비스 수령이 Hypertherm 표준 종래 기술의 전극들에 비해 적어도 150%만큼 개선되었다.
인서트가 인서트의 제2 단부에서의 내측 제2 직경보다 짧은 제1 단부에서의 외측 제1 직경을 가질 때 인서트를 적어도 99.91% 구리를 함유하는 고순도 구리로 형성된 전극 본체 내로 방사상으로 스웨이징하는 것을 전극 구성이 포함한 경우, 전극 서비스 수명이 최고로 개선되었다. 본 발명의 원리에 따른 전극과 인서트 구성(510)은, 종래 기술의 전극들과 대략 동일한 열적 사이클(620)의 총 횟수(640)에 걸쳐 총 인서트 변위(630)에 있어서 0.6mm를 초과할 수 있다. 이 차트의 테스트 데이터는 약 600회의 절단 사이클에서 중단되지만, 전극 고장 전에 일부 전극들에서는 1000회를 초과하는 절단 사이클을 달성하였다. 3000회를 넘는 더욱 낮은 전류와 더욱 짧은 절단 시간 사이클을 달성하였다. 이는 기존의 Hypertherm 표준 전극들에 비해 전극 수명의 증가가 2배를 초과함을 나타낸다.
도 7의 차트는 본 발명의 원리에 따라 전극 내에 구성된 긴 방사형 인서트의 총 이동을 도시하며, 이러한 이동은 플라즈마 아크 절단 토치의 전극의 전체 서비스 수명에 걸친 사이클링에 의한 것이다. 차트(700)는 아크 사이클의 횟수(720)에 대한 인서트 이동(710)을 도시한다. 본 발명의 원리에 따른 전극에서의 사이클의 횟수(720)는 도 5에 도시한 바와 같이 사이클의 총 횟수(640)를 초과할 수 있다. 이동 속도는 본 발명의 원리에 따른 전극에서의 초기 복수의 아크 사이클에 대하여 대략 선형적일 수 있다. 방사형 인서트의 사이클당 이동 속도(730)는 인서트의 아크 사이클의 횟수(720)가 1000 사이클에 접근함에 따라 감소될 수 있다. 2.0mm를 초과하는 갭 크기(336)를 얻을 수 있다.
도 8은 전극 서비스 수명이 길어진 플라즈마 아크 절단 토치의 전극을 작동시키는 방법을 도시하는 흐름도(800)이다. 플라즈마 아크 토치는, 이미터로부터 플라즈마 아크를 방사함으로써, 예를 들어, 도 3b 내지 도 3d에 도시한 바와 같이 사이클에서 작동된다(810). 열적 사이클 동안, 플라즈마 아크는 이미터의 외면에서 이미터의 일부를 용융하여, 이미터의 제1 단부에 피트를 생성한다(820). 이미터의 제2 단부는 이미터의 일부가 용융된 후 전극의 앞면을 향하여 이동한다(830). 플라즈마 토치의 다수의 작동에 따라, 전극이 복수의 열적 사이클을 겪을 수 있다. 전극이 열적 사이클의 최대 횟수에 도달하지 않았다면(840), 단계들(810 내지 830)을 반복한다. 전극이 열적 사이클의 최대 횟수에 도달하였다면(840), 플라즈마 토치 내의 전극을 교체해야 한다(850). 일부 실시예들에서, 전극은, 실행되는 사이클 수를 감시하고 특정한 사이클 횟수에서 전극을 교체함으로써, 열적 사이클의 최대 횟수에 도달한다. 일부 실시예들에서, 전극은, 고장나면 사이클의 최대 횟수에 도달한다.
도 9는 본 발명의 원리에 따라 플라즈마 아크 토치를 위만 전극을 제조하는 방법을 도시한다. 흐름도(900)에 도시한 바와 같이, 전극은, 도 2a에 도시만 바와 같이, 제1 단부, 제2 단부, 및 제1 단부에서의 앞면을 갖는, 적어도 99.81% 구리를 함유하는 고순도 구리로 형성된다(810). 일부 실시예들에서, 전극의 제1 단부는 적어도 99.81% 구리를 함유하는 고순도 구리로 형성된다. 캐비티는 도 2a에 도시한 바와 같이 전극 본체의 제1 단부의 앞면에 형성된다(920). 도 2b에 도시한 바와 같이, 고 열이온성 방사형 물질로 형성된 이미터를 전극 본체의 캐비티 내에 삽입한다(830). 일부 실시예들에서, 이미터는 하프늄, 지르코늄, 또는 텅스텐으로 형성된다. 일부 실시예들에서, 전극 본체는, 도 2b에 도시한 바와 같이, 방사형 압축을 이용하여 캐비티 내로 이미터를 유지하도록 압축된다(940). 일부 실시예들에서, 도 2c에 도시한 바와 같이, 전극 본체의 제1 단부를 기계 가공하여 균일한 직경과 둥근 에지를 생성한다(950). 일부 실시예들에서, 인서트의 제1 단부는, 전극의 앞면을 향하여 배향되고, 전극의 앞면을 벗어나 돌출되는 면을 갖는다.
본 발명을 특정하게 바람직한 실시예들을 참조하여 구체적으로 예시하고 설명하였지만, 다음에 따르는 청구범위에 의해 규정되는 바와 같이 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고서 형태와 상세에 있어서 다양한 변경을 행할 수 있다는 점을 통상의 기술자라면 이해해야 한다.

Claims (47)

  1. 서비스 수명이 연장된 플라즈마 아크 토치를 위한 전극으로서, 상기 플라즈마 아크 토치는 상기 전극과 노즐에 의해 규정된 플라즈마 챔버를 포함하는 것인, 상기 전극으로서,
    앞면(front face)을 갖는 전극 본체;
    상기 전극 본체의 상기 앞면 안에 있는 오리피스(orifice); 및
    상기 오리피스 내에 위치하며 고 열이온성 방사형 물질(high thermionic emissivity material)로 형성된 긴 방사형 인서트(elongated emissive insert)를 포함하고,
    상기 인서트는 전방부(forward end)와 후방부(rearward end)를 갖고, 상기 인서트의 전방부는 상기 전극 본체의 앞면을 향하여 배향되고,
    상기 인서트는 초기 구성과 작동 가능 구성을 갖고, 상기 작동 가능 구성은 상기 토치의 복수의 작동 후에 형성되고, 상기 인서트의 초기 구성에서는 상기 인서트의 후방부가 상기 앞면으로부터 제1 거리(D1)에 위치하고, 상기 인서트의 작동 가능 구성에서는 상기 후방부가 제2 거리(D2)에 위치하고, D1은 D2보다 적어도 0.6mm 큰, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고 열이온성 방사형 물질은 하프늄, 지르코늄, 또는 텅스텐 중 적어도 하나를 포함하는, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  3. 제1항에 있어서, 상기 작동 가능 구성은 상기 전극의 적어도 약 400회의 아크 사이클 후에 발생하는, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  4. 제1항에 있어서, 상기 앞면을 향하는 상기 인서트의 후방부의 이동은 상기 인서트의 전방부에서의 피트(pit) 형성을 보상하는 데 충분한, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  5. 제1항에 있어서, 상기 작동 가능 구성은 적어도 약 2시간의 전극 작동 시간 후에 발생하는, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  6. 제1항에 있어서, 상기 인서트의 제2 단부의 이동은 적어도 0.8mm인, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  7. 제1항에 있어서, 상기 인서트의 제2 단부의 이동은 적어도 1.0mm인, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  8. 제1항에 있어서, 상기 인서트의 제2 단부의 이동은 적어도 1.2mm인, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  9. 제1항에 있어서, 상기 인서트의 제2 단부의 이동은 적어도 1.4mm인, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  10. 제1항에 있어서, 상기 인서트의 제2 단부의 이동은 적어도 1.6mm인, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  11. 제1항에 있어서, 상기 인서트의 제2 단부의 이동은 적어도 2.0mm인, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  12. 제1항에 있어서, 상기 전극은 가스로 냉각되는, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  13. 제1항에 있어서, 상기 전극 본체는 적어도 99.81% 구리를 함유하는 고 순도 구리로 형성된, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  14. 제1항에 있어서, 상기 인서트는 상기 제2 단부로부터 멀어지며 상기 앞면을 벗어나 상기 오리피스의 외부로 연장되는, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  15. 플라즈마 아크 토치의 전극 서비스 수명을 길게 할 수 있는 방법으로서,
    상기 플라즈마 아크 토치의 작동 동안 긴 이미터로부터 플라즈마 아크를 방사하고 상기 긴 이미터를 냉각함으로써, 전극을 열적 사이클링하는 단계로서, 상기 전극은 제1 단부와 제2 단부를 갖는 본체를 구비하고 상기 본체의 제1 단부의 면의 캐비티 내에 위치하는 상기 긴 이미터를 구비하는 것인, 상기 열적 사이클링하는 단계를 포함하고, 상기 열적 사이클링하는 단계는,
    (i) 상기 이미터의 일부를 용융함으로써 상기 이미터의 노출면에 피트를 형성하는 단계; 및
    (ii) 상기 제1 단부를 향하는 상기 이미터의 이동이 상기 면에 대한 상기 피트의 성장보다 빠르도록 상기 이미터를 상기 제1 단부를 향하여 상기 제2 단부로부터 멀어지게 이동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 전극의 작동 동안, 상기 이미터의 제2 단부는 상기 이미터의 제2 단부가 상기 면을 향하여 적어도 0.6mm 이동하도록 사이클들 동안 상기 전극의 앞면을 향하여 이동하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 이미터의 제2 단부의 이동은 적어도 0.8mm인, 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 이미터의 제2 단부의 이동은 적어도 1.0mm인, 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 이미터의 제2 단부의 이동은 적어도 1.2mm인, 방법.
  20. 제16항에 있어서, 상기 이미터의 제2 단부의 이동은 적어도 1.4mm인, 방법.
  21. 제16항에 있어서, 상기 이미터의 제2 단부의 이동은 적어도 1.6mm인, 방법.
  22. 제16항에 있어서, 상기 이미터의 제2 단부의 이동은 적어도 2.0mm인, 방법.
  23. 제15항에 있어서, 상기 전극은 가스로 냉각되는, 방법.
  24. 제15항에 있어서, 상기 전극의 본체는 적어도 99.81% 구리를 함유하는 고 순도 구리로 형성되는, 방법.
  25. 제15항에 있어서, 상기 인서트는 상기 본체의 제2 단부로부터 멀어지며 상기 면을 벗어나 상기 오리피스의 외부로 연장되는, 방법.
  26. 플라즈마 아크 토치를 위한 전극의 서비스 수명을 연장하기 위한 방법으로서,
    인서트의 제1 단부 내에 피트를 형성하는 단계로서, 상기 인서트는 고 열이온성 방사형 물질로 형성되고 상기 전극의 제1 단부에서 앞면의 캐비티 내에 배치되고, 상기 전극은 적어도 99.81% 구리를 함유하는 고순도 구리로 형성되고, 상기 인서트는 초기 구성과 작동 가능 구성을 갖고, 상기 작동 가능 구성은 상기 플라즈마 아크 토치의 복수의 작동 후에 형성되는 것인, 상기 형성하는 단계;
    상기 플라즈마 아크 토치의 각 작동 동안 상기 전극을 열적 사이클링하고 이에 따라 상기 인서트로부터의 플라즈마 아크의 방사에 기초하여 상기 인서트의 일부를 용융하는 단계로서, 상기 인서트가 상기 열적 사이클링에 따라 상기 전극의 앞면을 향하여 이동하는 것인, 상기 용융하는 단계; 및
    상기 초기 구성에서는 상기 인서트의 후방부가 상기 앞면으로부터 제1 거리(D1)에 위치하고 상기 작동 가능 구성에서는 상기 후방부가 제2 거리(D2)에 위치하고 D1이 D2보다 적어도 0.6mm 크도록, 상기 토치의 열적 사이클링 동안 상기 인서트의 제2 단부가 상기 전극의 앞면을 향하여 적어도 0.6mm 거리만큼 이동함으로써 상기 전극의 조기 고장을 방지하는 단계를 포함하는, 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 인서트는 상기 제1 단부의 반대측인 제2 단부의 직경보다 짧은 상기 제1 단부의 직경을 갖는, 방법.
  28. 플라즈마 아크 토치를 위한 전극으로서, 상기 플라즈마 아크 토치는 상기 전극과 노즐에 의해 규정되는 플라즈마 챔버를 포함하는 것인, 상기 전극으로서,
    고순도 구리로 형성되고 적어도 99.81% 구리를 함유하는 제1 단부, 상기 제1 단부의 반대측인 제2 단부, 및 상기 제1 단부에 위치하는 앞면을 포함하는 전극 본체;
    상기 전극 본체의 앞면에 있는 캐비티; 및
    상기 캐비티에 배치된 고 열이온성 방사형 물질로 형성된 긴 인서트를 포함하고,
    상기 인서트는 제1 단부와 제2 단부를 갖고, 상기 제1 단부는 상기 전극 본체의 앞면을 향하여 배향되고, 상기 제1 단부의 직경은 상기 제2 단부의 직경보다 짧고,
    상기 전극 본체의 제1 단부는 상기 인서트의 제1 단부를 유지하도록 구성된, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  29. 제28항에 있어서, 상기 전극 본체의 제1 단부는 방사형 압축에 의해 상기 인서트의 제1 단부를 유지하도록 구성된, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  30. 제28항에 있어서, 상기 전극의 작동 동안, 상기 인서트의 제2 단부는, 상기 인서트의 제2 단부가 상기 앞면을 향하여 적어도 0.6mm 이동하도록 아크 사이클들 동안 상기 전극의 앞면을 향하여 이동하는, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  31. 제30항에 있어서, 상기 인서트의 제2 단부의 이동은 적어도 0.8mm인, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  32. 제30항에 있어서, 상기 인서트의 제2 단부의 이동은 적어도 1.0mm인, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  33. 제30항에 있어서, 상기 인서트의 제2 단부의 이동은 적어도 1.2mm인, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  34. 제30항에 있어서, 상기 인서트의 제2 단부의 이동은 적어도 1.4mm인, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  35. 제30항에 있어서, 상기 인서트의 제2 단부의 이동은 적어도 1.6mm인, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  36. 제30항에 있어서, 상기 인서트의 제2 단부의 이동은 적어도 2.0mm인, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  37. 제28항에 있어서, 상기 전극은 가스로 냉각되는, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  38. 제28항에 있어서, 상기 인서트는 상기 본체의 제2 단부로부터 멀어지며 상기 앞면을 벗어나 상기 캐비티의 외부로 연장되는, 플라즈마 아크 토치를 위한 전극.
  39. 플라즈마 아크 토치를 위한 전극의 서비스 수명을 연장하기 위한 방법으로서,
    상기 플라즈마 아크 토치의 작동 동안 인서트의 일부를 용융함으로써 상기 인서트의 제1 단부에 피트를 형성하는 단계로서, 상기 인서트는 상기 전극의 제1 단부에서 앞면의 캐비티 내에 배치되고 제2 단부의 직경보다 짧은 상기 제1 단부의 직경을 갖는 고 열이온성 방사형 물질로 형성되고, 상기 전극은 적어도 99.81% 구리를 함유하는 고순도 구리로 형성되는 것인, 상기 형성하는 단계;
    상기 토치의 작동 동안 상기 인서트로부터 플라즈마 아크를 방사함으로써 상기 전극을 열적 사이클링하는 단계로서, 상기 인서트는 상기 열적 사이클링에 따라 상기 전극의 앞면을 향하고 이동하는 것인, 상기 열적 사이클링하는 단계; 및
    상기 인서트의 제2 단부가 적어도 0.6mm 거리만큼 상기 전극의 앞면을 향하여 이동함으로써, 상기 플라즈마 아크 토치의 작동 동안 상기 전극의 조기 고장을 방지하는 단계를 포함하는, 방법.
  40. 제39항의 방법을 실시하는 전극.
  41. 제39항에 있어서, 상기 인서트의 제2 단부의 이동은 적어도 0.8mm인, 방법.
  42. 제39항에 있어서, 상기 인서트는 하프늄, 지르코늄, 또는 텅스텐 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  43. 제39항에 있어서, 상기 전극의 앞면을 향하는 상기 인서트의 이동은 전극 사이클링으로부터 발생하는 피트 깊이의 성장을 상쇄하는, 방법.
  44. 플라즈마 아크 토치를 위한 전극을 제조하기 위한 방법으로서, 상기 플라즈마 아크 토치는 전극과 노즐에 의해 규정되는 플라즈마 챔버를 포함하는 것인, 상기 전극을 제조하기 위한 방법으로서,
    적어도 99.81% 구리를 함유하는 고순도 구리로 형성된 제1 단부, 상기 제1 단부의 반대측인 제2 단부, 및 상기 제1 단부에 위치하는 앞면을 갖는 전극 본체를 형성하는 단계;
    상기 전극 본체의 앞면 내에 캐비티를 형성하는 단계;
    상기 캐비티 내에 고 열이온성 방사형 물질로 형성된 긴 인서트를 조립하는 단계로서, 상기 인서트는 제1 단부와 제2 단부를 갖고, 상기 제1 단부는 상기 전극 본체의 앞면을 향하여 배향되는 것인, 상기 조립하는 단계; 및
    상기 전극 본체의 제1 단부의 방사형 압축을 이용하여 상기 인서트의 제1 단부를 유지하도록 상기 전극 본체의 제1 단부를 구성하는 단계를 포함하는, 방법.
  45. 제44항에 있어서, 상기 인서트는, 상기 인서트의 제1 단부에서의 제1 직경이 상기 인서트의 제2 단부에서의 제2 직경보다 짧도록 테이퍼를 갖고, 상기 제1 단부는 상기 전극 본체의 앞면에 가까운, 방법.
  46. 제45항에 있어서, 상기 제2 직경은 상기 제1 직경보다 적어도 0.003" 긴, 방법.
  47. 제46항에 있어서, 상기 제1 직경과 상기 제2 직경 간의 인서트 길이는 약 3.0mm 내지 5.0mm인, 방법.
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